2. DEGRADACJA STANU MASZYN

…znaczenie dzieła zależy tyleż od tego - kto czyta co od tego kto pisze…

2. DEGRADACJA STANU MASZYN

Zastosowanie w procesie eksploatacji metod oceny stanu technicznego maszyn jest podstawą automatyzacji procesu rozpoznawania stanu. Wymaga to wielu przedsięwzięć, do których za jedno z ważniejszych, obok oceny stanu i prognozowania stanu, uważa się genezowanie stanu technicznego maszyn.

Problematyka genezowania stanu technicznego obejmuje ewolucję stanu technicznego maszyn, identyfikację problemów genezowania stanu maszyny i sposobów ich rozwiązania oraz możliwości wykorzystania metod optymalizacyjnych do rozwiązania zidentyfikowanych i sformułowanych problemów.

2.1. EWOLUCJA STANU MASZYN

Śledzenie zmian stanu maszyny możliwe jest dzięki znajomości podstaw fizycznych zjawisk zużyciowych, co ułatwia poznanie genezowanych parametrów stanu i parametrów diagnostycznych. Taka wiedza pozwala na racjonalne konstruowanie, wybór odpowiedniej technologii wytwarzania oraz optymalizację właściwości eksploatacyjnych maszyn.

Starzeniem fizycznym nazywa się procesy fizyczne zachodzące wskutek wymuszeń wewnętrznych i zewnętrznych, powodujących nieodwracalne zmiany własności użytkowych maszyn. Procesy starzenia występują z chwilą zakończenia produkcji maszyny i zależą od szeregu czynników oraz oddziaływań zewnętrznych i wewnętrznych. Do czynników zewnętrznych zaliczyć można: wpływ atmosfery, naturalnego podłoża, współpracujących maszyn itp. Do czynników wewnętrznych należą: procesy mechaniczne, mechaniczno- fizyczne i mechaniczno-chemiczne, występujące w trakcie użytkowania, obsługiwania i przechowywania maszyny [16,28,31,47,49]. Przedstawione czynniki powodują uszkodzenia starzeniowe, polegające na stopniowej utracie własności fizycznych wskutek destrukcyjnego oddziaływania środowiska oraz zmian zachodzących w maszynie. Starzenie fizyczne maszyn zależy od:

a) czynników atmosferycznych (opady atmosferyczne i opary, ruch powietrza, zanieczyszczenia, pyły i gazy przemysłowe, aktywność chemiczna i wilgotność atmosfery, nagrzanie słoneczne i przemysłowe oraz ciśnienie barometryczne);

b) czynników naturalnego podłoża ziemskiego lub roboczego (pole magnetyczne, przyciąganie ziemskie, gęstość, spoistość podłoża, ukształtowanie warstwy wierzchniej podłoża, wilgotność i rodzaj gruntu, aktywność chemiczna podłoża, temperatura podłoża, ruch cieczy w zbiornikach wodnych).

Zużycie maszyny to trwałe niepożądane zmiany jej stanu, występujące podczas eksploatacji. Procesy zużyciowe maszyny związane są z przetwarzaniem energii w pracę mechaniczną i towarzyszącymi im siłami, którymi oddziaływują na siebie elementy maszyny.

W trakcie funkcjonowania maszyny w parach kinematycznych występują reakcje od przyłożonych sił, wynikające z nałożonych więzów geometrycznych i kinematycznych. W elementach par kinematycznych powstają zmienne naprężenia mechaniczne zależne od obciążenia, obrotów, jakości warstwy wierzchniej itp. Jako podstawowe rodzaje zużycia wyróżnia się [25,32,49]:

a) zużycie ścierne (bez i z warstwą ścierną, strumieniowo ścierne i w ośrodku sypkim);

b) zużycie adhezyjne (bez głębokiego wyrywania i z głębokim wyrywaniem);

c) zużycie plastyczne (w warstwie wierzchniej i w całej masie);

d) zużycie zmęczeniowe (normalne, pitting, spaling, fretting);

e) zużycie korozyjne (metali i niemetali);

f) zużycie erozyjne (hydroerozja, erozja gazowa, elektroerozja);

g) zużycie kawitacyjne (kawitacja przepływowa, kawitacja falowa);

h) zużycie cieplne (metali, niemetali).

Występujący w elementach maszyn rodzaj niszczenia jest zależny od wielu czynników, które można podzielić na:

a) geometryczne (kształt, chropowatość, błędy kształtu itp.);

b) kinematyczne (rodzaj ruchu, prędkość itp.);

c) dynamiczne (rodzaj obciążenia, siła obciążająca, nacisk jednostkowy itp.);

d) materiałowe (materiał warstwy wierzchniej, jakość smarowania itp.);

e) środowiskowe (wilgotność, powinowactwo chemiczne itp.);

f) cieplne (temperatura, odprowadzenie ciepła itp.).

Przebieg zużycia maszyn w czasie eksploatacji zależy od tego, który z procesów zużycia jest dominujący. I tak dla wszystkich zespołów maszyn, w których występuje tarcie ślizgowe, wyróżnia się zazwyczaj trzy okresy przebiegu zużycia (okres zużycia wstępnego, okres zużycia normalnego, okres zużycia przyśpieszonego). Z powodu występowania różnorodnych przyczyn uszkodzeń maszyny, intensywność uszkodzeń w toku eksploatacji jest różna i można ją związać z przedstawionymi etapami eksploatacji (rys.1.1) [32,56].

Rys. 1.1. Charakterystyka zużycia maszyny

Okres I zużycia wstępnego (rys.1.1) jest początkowym okresem współpracy elementów maszyny, w którym następuje przekształcenie początkowego stanu warstw wierzchnich docieranych elementów w stan optymalny, charakteryzujący się zwiększoną odpornością na zużycie tych elementów. W okresie zużycia wstępnego występuje znaczna intensywność uszkodzeń, powodowana ukrytymi wadami materiałowymi, błędami wytwarzania (szczególnie montażu) oraz błędami w czasie transportu i podczas przechowywania.

Okres II (rys. 1.1) charakteryzuje się stałą intensywnością zużycia, która zależy przede wszystkim od czynników eksploatacyjnych, w mniejszym stopniu zaś od czynników konstrukcyjnych i technologicznych. Okres normalnej eksploatacji charakteryzuje się obniżonym i w przybliżeniu ustabilizowanym poziomem intensywności uszkodzeń.

W III okresie (rys.1.1) następuje przyśpieszone zużycie elementów maszyn, co oznacza, że zostały przekroczone dopuszczalne luzy skojarzeń współpracujących elementów.

Wskutek tego występują dodatkowe obciążenia dynamiczne wywołujące bardziej intensywne

odkształcenia elementów, następują zaburzenia w smarowaniu skojarzeń (w większym

stopniu występuje tarcie mieszane z większym udziałem tarcia suchego, a nawet suche),

pojawiają się większe ubytki materiału i rośnie chropowatość powierzchni, co może

prowadzić do uszkodzenia maszyny.

Wynika stąd, że proces zużycia jest ściśle związany z czasem pracy maszyny i prowadzi do uszkodzeń, co pozwala na zastosowanie w diagnostyce modeli ewolucji parametrów zużycia. W przypadku modeli wykorzystujących przepływ i transformacji energii noszą nazwę procesorów energii i dobrze ujmują ewolucję parametrów stanu (degradacji) szerokiej klasy maszyn [9,32]. Maszyna widziana jako procesor energii - rys. 1.2 - ma jedno wejście zasileniowe i dwa wyjścia: mocy przetworzonej (energii, produktu) oraz mocy (energii) dyssypowanej zewnętrznie.

Rys.1.2. Model procesora energii [Cempel]

Część energii dyssypowanej jest akumulowana wewnętrznie dając w efekcie degradację struktury wewnętrznej, a co za tym idzie degradację stanu maszyny. Miernikiem zaawansowania degradacji wewnętrznej jest ewolucja eksportowanej mocy dyssypacji (strat) V, zależnej również od składowych wektora logistycznego L. Moc dyssypacji procesów resztkowych maszyny V(, L) przedstawia się zależnością:

V(, L) = V o (L) ]

) 1 (

[



 

a

L

(1.1) gdzie:  a – czas do awarii maszyny.

Dla większości modeli symptomowych istnieje prosty związek między symptomową krzywą życia a resztkowym czasem życia (y) = 1 - (y), zwanym też potencjałem uszkodzenia. Dla grupy eksploatowanych maszyn niezawodność symptomowa jest równoważna średniemu resztkowemu czasowi życia maszyny [7,9]:

R(y)=(y) śr (1.2) Zatem przebieg krzywej symptomowej w czasie życia maszyny i odpowiadającą mu niezawodność symptomową R(y) można zapisać:

 1

1

) ln( 1 )

( )

(   

 





 









b

y

y ,



 

 







 

 ( )

) exp (

) (

y

y y

R (1.3) gdzie: y( 1 ) - jest początkową wartością symptomu (parametru diagnostycznego),

 - współczynnik kształtu.

Wyznaczając współczynnik kształtu modelu  za pomocą regresji liniowej uzyskuje

się model ewolucji parametru stanu określający ewolucję stanu maszyny.

2.2. ANALIZA USZKODZEŃ MASZYN

Uszkodzenie maszyny jest jednym z istotnych zdarzeń występujących w procesie użytkowania maszyn, determinującym ich niezawodność i efektywność wykorzystania, proces obsługiwań technicznych, a także zakres potrzeb diagnostyki technicznej. Uszkodzenia powstają wskutek zachodzenia w maszynie powolnych, nieodwracalnych procesów starzeniowych i zużyciowych. Uszkodzenie maszyny można zdefiniować jako zdarzenie polegające na przejściu maszyny (układu, zespołu, elementu) ze stanu zdatności do stanu niezdatności. Przez stan zdatności rozumie się taki stan maszyny, w którym spełnia ona wyznaczone funkcje i zachowuje wartości parametrów, określone w dokumentacji technicznej. Natomiast przez stan niezdatności rozumie się stan maszyny, w którym nie spełnia ona chociażby jednego z wymagań, określonych w dokumentacji technicznej.

Uszkodzenia w czasie eksploatacji maszyn mogą zachodzić [13,16,19,32,54]:

a) wskutek powolnych, nieodwracalnych procesów starzeniowych i zużyciowych, zachodzących w maszynie;

b) w wyniku pojawienia się procesów odwracalnych o różnej intensywności przebiegu, wywołanych przez czasowe przekroczenia dopuszczalnych wartości jednego lub więcej czynników wymuszających;

c) w sposób skokowy, objawiający się nieciągłym przejściem jednej lub więcej cech poza granice przyjęte za dopuszczalne dla danej maszyny.

Główne przyczyny powstawania uszkodzeń to [28,32,50,65]:

a) konstrukcyjne – uszkodzenia powstałe wskutek błędów projektowania i konstruowania obiektu, najczęściej przy nie uwzględnieniu obciążeń ekstremalnych, tzn. wartości, które w istotny sposób przekraczają obciążenia nominalne, prowadząc wprost do uszkodzeń;

b) produkcyjne (technologiczne) – uszkodzenia powstałe wskutek błędów i niedokładności procesów technologicznych (brak tolerancji wymiarów, gładkości powierzchni, obróbki termicznej, itp.) lub wad materiałów elementów obiektu;

c) eksploatacyjne – uszkodzenia powstałe w wyniku nie przestrzegania obowiązujących zasad eksploatacji lub na skutek oddziaływań czynników zewnętrznych nie przewidzianych dla warunków użytkowania maszyny, co prowadzi przedwczesnego zużycia i osiągnięcia stanu granicznego;

d) starzeniowe – zawsze towarzyszące eksploatacji maszyn i będące rezultatem nieodwracalnych zmian, prowadzących do pogorszenia wytrzymałości i zdolności współdziałania poszczególnych elementów.

Jedną z klasyfikacji uszkodzeń jest ich podział ze względu na rodzaj strumienia uszkodzeń, są to [32]:

a) uszkodzenia przypadkowe (losowe), zdarzenia tworzą stacjonarny strumień uszkodzeń elementów maszyny, często na stochastyczną zbieżność wielu niezależnych od siebie czynników wymuszających;

b) uszkodzenia losowo uporządkowane, zdarzenia tworzą zmienny w czasie strumień uszkodzeń, często ze względu na istnienie określonego mechanizmu powstawania uszkodzeń;

c) uszkodzenia zmęczeniowe, zdarzenia powstające wskutek określonego procesu powstawania uszkodzeń, polegającego na stopniowej utracie własności fizycznych elementu maszyny wskutek wielokrotnych cykli oddziaływania czynników związanych z funkcjonowaniem maszyny (np. obciążenie);

d) uszkodzenia starzeniowe, zdarzenia powstające wskutek określonego procesu

powstawania uszkodzeń, polegającego na stopniowej utracie własności fizycznych

elementu maszyny wskutek oddziaływania czynników zewnętrznych otoczenia maszyny oraz zmian zachodzących w materiale jej elementu;

e) uszkodzenia zużyciowe cierne, zdarzenia powstające wskutek oddziaływania określonego procesu powstawania uszkodzeń, któremu towarzyszy stopniowa zmiana własności warstwy elementu maszyny ze względu na siły tarcia. Proces ten przebiega z różnym natężeniem w zależności od obecności w skojarzeniach elementów maszyny zanieczyszczeń, produktów tarcia oraz rodzaju i jakości smarowania.

Wynika stąd, że w większości przypadków uszkodzenia są zdarzeniami losowymi, bowiem dla dowolnej maszyny z rozpatrywanego zbioru maszyn nie można dokładnie przewidzieć chwili uszkodzenia (prognozowanie stanu maszyny) oraz dokładnie określić przyczynę i okoliczności zaistnienia uszkodzenia (genezowanie stanu maszyny). Można jednak, stosując odpowiednie narzędzia z zakresu rozpoznawania stanu i niezawodności maszyn [19,45,48,50,55,65], oszacować na odpowiednim poziomie ufności średni czas do uszkodzenia maszyny (rozwiązanie problemu prognozowania stanu) oraz prawdopodobnie możliwe jest oszacowanie przyczyny zaistnienia uszkodzenia (rozwiązanie problemu genezowania stanu).

Stan techniczny maszyny określony jest jako zbiór wartości parametrów stanu w chwili badania maszyny  b , przy czym formułuje się dla nich pewne warunki (parametry stanu powinny być niezależne i zupełne).

Stan maszyny może być określany - rys.1.3 - bezpośrednio na podstawie badań jej elementów i/lub badań współdziałania tych elementów. Wymaga to jednak demontażu maszyny oraz adaptacji elementów do badań, co często powoduje zmianę warunków ich współdziałania. Inny wariant bezpośredniej oceny stanu maszyny polega na wykorzystaniu arbitralnych opinii specjalistów, co wiąże się z trudnościami formalizowania sposobów wyznaczania tych opinii.

procesy robocze zakłócenia * monitorowanie parametrów procesu MASZYNA ^{* badania}

sprawnościowe STATYKA I DYNAMIKA energia użyteczna (wytwór)

energia

sterowanie X(t,  , r) destrukcyjne

sprzężenie szona

STAN TECHNICZNY procesy tribowibroakustyczne procesy resztkowe zwrotne - drgania, hałas,

- pulsacja ciśnienia, zasilanie - procesy cieplne, (energia, materiał) - produkty zużycia, - procesy elektromagnet., - ultradźwięki,

- inne.

Rys.1.3. Maszyna jako system przetwarzania energii i jej możliwości diagnozowania

Metody pośrednie oceny stanu maszyny polegają na tym, że oceny stanu wyznaczane są na podstawie obserwacji sygnałów (procesów) związanych z działaniem maszyny.

Sygnałem diagnostycznym (tzn. sygnałem zależnym od stanu maszyny) jest dowolny nośnik

materialny, najczęściej przebieg (cecha, miara) wielkości fizycznej, umożliwiającej

przenoszenie (w przestrzeni i czasie) wiadomości o stanie maszyny. Pełny opis stanu maszyny

składa się z zbioru charakterystyk (cech, parametrów, symptomów) ukazujących wszystkie

poziomy i aspekty istnienia maszyny. W praktyce każdy opis stanu maszyny jest ograniczony

dostępnymi wskaźnikami i jest modelem tego stanu, budowanym na podstawie przyjętych

kryteriów. Globalny stan maszyny, uwzględniający jego zmianę w czasie, określany jest zależnością [43,65]:

G (X(), U(), Z()) = Y() (1.4) gdzie: X() - wektor cech stanu maszyny,

U() - wektor wymuszeń, Z() - wektor zakłóceń,

Y() - wektor wyjściowy zawierający sygnały wykorzystywane w diagnostyce (symptomy-sygnały diagnostyczne zorientowane uszkodzeniowo), parametry diagnostyczne,

G - globalna funkcja odpowiedzi,  - czas eksploatacji maszyny.

Główną drogą rozpoznania faktu utracenia zdolności użytkowych maszyny jest model, który opisuje w sformalizowany sposób powiązania czasowe wyników obserwacji diagnostycznej maszyny i ich odniesienie do wartości kryterialnych określających diagnozowane stany maszyny. W procesie diagnozowania maszyny podstawą wnioskowania są zazwyczaj zbiory informacji generowane przez system monitorujący stan maszyny, czyli zaobserwowane historie zmian wartości nadzorowanych parametrów diagnostycznych (wektor Y()). Zbiory te, dane w postaci szeregu czasowego y

, są realizacją pewnego procesu losowego (), którego parametry zależą od losowego wektora wymuszeń X() kształtującego poziom badanego procesu zużycia maszyny (wektor U()) oraz losowego szumu zakłóceń (wektor Z()) [4,8,10,65].

Skuteczność szacowania wartości parametrów diagnostycznych zarówno w przyszłości (prognozowanie) jak i w przeszłości (genezowanie), przy założeniu niepełnej i niepewnej (nieprecyzyjnie określonych lub wyznaczonych z nieokreślonym błędem) ich wartości w czasie ( 1 , b ), jest tym większa im dłuższy jest posiadany szereg czasowy y

i prostsze są mechanizmy kształtujące jego przebieg. W badaniach diagnostycznych występuje niestety często sytuacja, gdy szeregi czasowe obserwacji diagnostycznej maszyny są relatywnie krótkie w stosunku do potrzeb związanych z poprawną identyfikacją składnika systematycznego (zdeterminowanego) kształtującego trend rozpoznawanego zjawiska () oraz obciążone są błędem pomiarowym. Dlatego też podstawowym zagadnieniem w analizie szeregów czasowych {y

} jest badanie struktury ciągu zebranych wyników pomiarowych.

Problem ten najczęściej jest ukierunkowany na wyróżnienie w szeregu czasowym składowych deterministycznych (regularnych) opisywanych za pomocą trendu () i oddziaływań losowych (), np. (obciążenia, warunki terenowe, warunki klimatyczne, jakość obsług, inne). Trend w tym ujęciu jest reprezentowany pewną nielosową funkcją trendu  _p () wyznaczającą generalny kierunek rozwoju i określającą ogólną prawidłowość zmian kontrolowanego zjawiska procesu zużycia maszyny, zaś składnik losowy () określa wahania wokół składowej systematycznej spowodowane działającymi na maszynę różnych losowo powtarzających się wymuszeń [45,48,50].

W przypadku maszyn, których eksploatację należy rozpatrywać nie tylko w kontekście ich stanu (stanu realizowanego procesu lub stanu technicznego), ale także w aspekcie bezpieczeństwa realizowanych przez nie funkcji (np. statki powietrzne, statki morskie, maszyny krytyczne i inne) wygodną formułą jest traktowanie ich jako systemów antropotechnicznych (maszyna i operator maszyny) działających w pewnym otoczeniu.

Na przykład w przypadku statków powietrznych (SP) definicja uszkodzenia jest bardziej

rozbudowana [21,60], bowiem wprowadza się dodatkowo definicję awarii jako zdarzenia, w

którym zespoły lub układy SP przestały prawidłowo funkcjonować i stały się niezdolne do

pracy (wg ICAO – International Civil Aviation Organisation) oraz stanu awaryjnego, jako anormalnego stanu SP w trakcie jego eksploatacji [21]. Rozróżnia się wówczas awarie (uszkodzenia):

a) pojedyncze,

b) złożone składające się z kilku niezależnych awarii pojedynczego urządzenia;

c) złożone składające się z kilku niezależnych awarii więcej niż jednego urządzenia;

d) nie wykrytej awarii;

e) dalszych awarii, które należy spodziewać się w następstwie awarii istniejącej.

Ponadto przyjmując formułę SP, jako systemu antropotechnicznego w pewnym otoczeniu, definiuje się i wyróżnia takie pojęcia jak: błąd, wypadek lotniczy, wypadek naziemny, wypadek nadzwyczajny i wydarzenie lotnicze.

Wynika stąd że złożoność interpretacyjna stanów niezdatności maszyny (w tym przypadku SP) wymusza nie tylko konieczność analizy różnorodnych stanów niezdatności, ale także podjęcie trudu analizy systemowej przyczyny zaistnienia tych stanów w kontekście systemu antropotechnicznego działającego w otoczeniu, np. poprzez działania lub ich brak, uchybienia operatora, warunki lub czynniki które doprowadziły do stanu niezdatności (w przypadku SP: personalne, techniczne, systemowe i środowiskowe).

Spełnieniem powyższego postulatu jest np. sformułowanie zakresu określenia przyczyny stanu niezdatności maszyny. W tym celu, wykorzystując klasyfikację przyczynowo – miejscowo – skutkową stanów awaryjnych SP [21], można określić że poszukiwanymi przyczynami stanów niezdatności maszyny, występującymi pojedynczo lub w grupie, są:

a) błąd fabryczny (błąd popełniony przez producenta maszyn w zakresie technologii lub materiału, błąd popełniony przez dystrybutora maszyny w zakresie technologii transportu do użytkownika);

b) błąd obsługi technicznej maszyny;

c) nieprawidłowe użytkowanie maszyny przez operatora;

d) oddziaływanie czynników zewnętrznych na maszynę.

Przyjęcie powyższego zbioru przyczyn generuje pytanie odnośnie możliwości ich szacowania w zakresie określenia przyczyny stanów niezdatności maszyny, zarówno w aspekcie odpowiednich procedur i towarzyszącym im narzędzi. Analizując najnowsze osiągnięcia diagnostyki technicznej [2,9,16,17,20,21,26,58,65,69] można stwierdzić, że możliwość taką stwarza system rozpoznawania stanu maszyn.

Reasumując przedstawione powyżej rozważania związane z problematyką ewolucji stanu technicznego maszyny można stwierdzić, że:

1. Uszkodzenia maszyny są zdarzeniami losowymi, co determinuje że opisujące zmianę stanu technicznego maszyny elementy zbioru kontrolowanych wartości parametrów diagnostycznych Y(), ze względu na nieokreśloność czynników procesu zużycia, są realizacjami procesu losowego.

2. Wartości parametrów diagnostycznych Y() uzyskiwane w postaci szeregów czasowych {y

,} są realizacjami procesu losowego, który można opisać za pomocą trendu () i składnika losowego (). Trend w tym ujęciu jest reprezentowany pewną szacowaną nielosową funkcją trendu  p () określającą ogólną prawidłowość zmian kontrolowanego zjawiska procesu zużycia maszyny, zaś składnik losowy () określa wahania wokół składowej systematycznej spowodowane działającymi na maszynę różnych losowo powtarzających się wymuszeń.

3. Ewolucja stanu technicznego maszyn jest możliwa do obserwacji za pomocą

symptomowych modeli diagnostycznych i modeli diagnostyczno – niezawodnościowych, co

w połączeniu ze statystycznym przetwarzaniem wyników badań pozwala na ocenę obecnego i

przyszłego stanu maszyny, a być może także i przeszłego stanu maszyny;

4. W większości przypadków intensywność zużywania, podobnie jak częstotliwość występowania uszkodzenia maszyny to wynik nieracjonalnej eksploatacji. Brak należytych zabiegów obsługiwania, przechowywania oraz niewłaściwe użytkowanie może spowodować bardziej intensywne zużywanie maszyny, stąd zastosowanie w procesie eksploatacji metod rozpoznawania stanu technicznego maszyn jest jedną z możliwości przeciwdziałających procesom destrukcji stanu maszyn.

2.3. BADANIE ZDARZEŃ EKSPLOATACYJNYCH MASZYN

Doskonalenie eksploatacji maszyn, oprócz diagnozowania oraz prognozowania, wymaga także wyznaczenia genezy stanu maszyny, od którego najczęściej żąda się określenie przyczyny zaistniałego niepożądanego zdarzenia eksploatacyjnego (uszkodzenie, awaria, katastrofa) starając się odpowiedzieć na dwa pytania:

a) jak to się stało ? – opis przebiegu zdarzenia i warunki jego zaistnienia;

b) dlaczego tak się stało ? – opis przyczyny zaistniałego zdarzenia.

W celu udzielenia odpowiedzi na powyższe pytania, jak zaznaczono w pracach [21,58,60,69], istnieją dwa podejście:

a) eksploratywne, polegające na gromadzeniu wiedzy w obszarze związanym z eksploatacją maszyny, na podstawie której możliwa jest analiza przyczynowa – skutkowa niepożądanych zdarzeń eksploatacyjnych;

b) normatywne, polegające na zidentyfikowaniu zadań z przeszłości i wskaźników ich opisujących te zadania.

W obu przypadkach wielkościami opisującymi zaistnienie niepożądanych zdarzeń eksploatacyjnych mogą być odpowiednio dobrane zbiory parametrów diagnostycznych, Problemy występujące wówczas w procesie genezowania stanu maszyny sprowadzają się do :

a) analizy procesu pogarszania się jej stanu technicznego, określenie tendencji i dynamiki zmian wartości jej cech stanu, wybór stanów w których mogła znajdować się maszyna, dekompozycja maszyny na układy i zespoły, kryteria wyboru stanów i prawdopodobieństwo ich występowania, wybór „najlepszych” parametrów diagnostycznych opisujących zmianę stanu maszyny;

b) wyboru „najlepszej” metody wyznaczania genezy stanu;

c) wykorzystanie informacji o genezie stanu do szacowania stanu maszyny w przeszłości.

Na podstawie analizy opracowań dotyczących rozwiązywania problemów zbliżonych do prezentowanych w pracach [2,16,17,21,50,58,69] stwierdza się, że:

1. W celu poprawnego funkcjonowania nowoczesnych systemów obsługiwania maszyn (wykorzystujących informację o stanie maszyny w chwili badania, w czasie przyszłym i w czasie przeszłym) istnieje potrzeba opracowania metody, która w przypadku niepełnej lub niepewnej historii zmian stanu maszyny umożliwi szacowanie stanu maszyny w czasie przeszłym eksploatacji (prognoza wsteczna, genezowanie stanu maszyny);

2. Metody genezowania nie znalazły dotychczas zastosowania w postaci algorytmów obliczeniowych do szacowania stanu maszyny w czasie przeszłym jej eksploatacji;

3. Brak opracowań, wykorzystujących narzędzia optymalizacji wielokryterialnej, mających na celu rozwiązanie problemu genezowania stanu technicznego maszyny według algorytmu:

aktualny stan techniczny maszyny – parametry diagnostyczne opisujące ten stan - metoda

genezowania wykorzystująca niepełną lub niepewną historię wartości parametrów

diagnostycznych w czasie przeszłym – geneza stanu technicznego maszyny – wykorzystanie genezy stanu technicznego maszyny w systemie obsługiwania;

4. Projektowane i wprowadzane obecnie w krajach Unii Europejskiej przepisy ISO dotyczące wymagań, jakie mają spełniać maszyny, np. dla pojazdów, obok ograniczeń związanych z toksycznością spalin i zużyciem paliwa, narzucają również wymagania dotyczące diagnostyki poszczególnych układów pojazdu, w tym szczególnie układów silnika i układów bezpieczeństwa jazdy [23,24,33]. Przewiduje się tu pokładowe systemy diagnostyczne, które rozpoznają, zapamiętują, sygnalizują, prognozują i genezują stany zespołów i układów pojazdu (np. w pokładowym systemie diagnostycznym EOBD – opcja „zamrożonej ramki”);

5. Stwierdza się ponadto, że proste algorytmy prognostyczne zaczynają stanowić element standardowego oprogramowania przyrządów diagnostycznych, zaś proste procedury wyznaczania genezy stanu stanowią podstawę oprogramowania systemów doradczych [23,33]. Tak dzieje się przykładowo podczas analizy wypadków drogowych (pakiet CRASCH i inne) lub genezowania zdarzeń eksploatacyjnych statków powietrznych (SP), gdzie systemy pokładowe danego SP oprócz informacji przekazywanych do pilota (załogi) informują naziemne centra informatyczne o aktualnym położeniu i stanie technicznym SP oraz jednocześnie uaktualniają dane eksploatacyjne i wypadkowe [21].

Biorąc pod uwagę powyższe ustalenia oraz wnioski z analizy problemów ewolucji stanu maszyny można stwierdzić, że genezowanie stanu technicznego maszyn powinno polegać na:

a) określeniu (przy niepełnych lub niepewnych danych wartości parametrów diagnostycznych) trendu zmian wartości parametrów diagnostycznych, charakteryzującego proces pogarszania się stanu maszyny w przeszłości;

b) przyrównaniu chwilowych wartości parametrów do wartości granicznych;

c) szacowanie zapasu przebiegu niezawodnej pracy maszyny w interesującym użytkownika czasie przeszłym eksploatacji lub przeprowadzenia analizy przyczyny zlokalizowanego w chwili badania stanu niezdatności maszyny.

Rozwiązanie przedstawionych postulatów wymaga rozpatrzenia problematyki wyznaczenia wartości genezowanej parametrów diagnostycznych opisujących zmianę stanu technicznego maszyny oraz określenie sposobu wyznaczenia genezy stanu maszyny.

2.4. SZACOWANIE PRZYCZYN USZKODZEŃ MASZYN

Podejmując rozważania na temat genezowania stanu maszyn nie można wykazać wyższości pewnych metod umożliwiających genezowanie wartości parametrów diagnostycznych oraz szacowania stanu technicznego maszyny S( ₁ , _b ). Można jednak zastosować kryteria dotyczące wymagań związanych z [1,47,50,55]:

a) postacią genezy (wartość genezowana parametru diagnostycznego, szacowany stan maszyny w przeszłości, wartość wykonanej przez nią w przeszłości pracy, przyczyna stanu niezdatności maszyny lub inna postać genezy stanu maszyny);

b) wpływem zmiany warunków eksploatacji maszyn i czynności obsługowych na właściwości eksploatacyjne maszyny, które należy uwzględnić przy wyborze metody genezowania;

c) możliwych do wykorzystania metod genezowania (np. metody jakościowe, metody analityczne lub ich odpowiednia kompilacja).

Wśród niewielkiej liczby metod, umożliwiających genezowanie stanu maszyn, można

wyróżnić dwie grupy [21,55,60]:

a) metody jakościowe (genezowanie sytuacyjne na podstawie informacji zebranych z otoczenia i metody eksperckie na podstawie relacji świadków zdarzenia);

b) analityczne (metody symptomowe na podstawie wartości parametrów diagnostycznych z przedziału czasu ( 1 ,  b )).

Genezowanie sytuacyjne

W przypadku genezowania sytuacyjnego przyczynę wystąpienia niezdatności określa się na podstawie oględzin przeprowadzonych bezpośrednio po zaistnieniu zdarzenia. Zebrane w ten sposób informacje (dane sytuacyjne) służą do porównania z danymi sytuacyjnymi powstałymi w wyniku zamodelowania pewnych uszkodzeń (rys.1.4). Szuka się wówczas danych odpowiadających danym sytuacyjnym zdarzenia wejściowego.

Podczas modelowania danego zdarzenia znana jest przyczyna, która doprowadza do niezdatności maszyny i w chwili uszkodzenia gromadzi się powstałe w ten sposób dane sytuacyjne tworząc ich bazę odpowiadającą pewnym, niekiedy typowym uszkodzeniom.

Procedurę tę można wykorzystać przy ustalaniu przyczyn zaistniałej niezdatności maszyny poprzez porównanie zebranych informacji z danymi sytuacyjnymi odpowiadającymi konkretnym zdarzeniom (przy wykorzystaniu także wiedzy użytkownika maszyny). To umożliwia określenie prawdopodobnej przyczyny wystąpienia uszkodzenia lub jak przyjęto w przypadku statków powietrznych, awarii [21,60].

Rys.1.4. Schemat genezowania sytuacyjnego

Genezowanie eksperckie

Metoda polega na określeniu przyczyn zaistniałego stanu maszyny na podstawie relacji świadków danego zdarzenia (rys.1.5), z czym często można się spotkać w przypadku analizy wypadku samochodowego na podstawie relacji świadków. Dobrze udokumentowana zebrana informacja pozwala często określić przyczynę powstania wypadku [55].

Innym przypadkiem mogą być tu również informacje przekazane przez osobę

obsługującą użytkowaną maszynę, która może dostarczyć bardzo cennych danych o

zachowaniu się maszyny przed uszkodzeniem. W przemyśle bardzo często wykorzystuje się

kamery przemysłowe, mogące pomóc w określeniu przyczyny powstałej niezdatności.

Rys.1.5. Schemat genezowania eksperckiego

Genezowanie symptomowe

Zakładając możliwość rejestracji wartości parametrów diagnostycznych oraz stanów maszyny w czasie eksploatacji ( 1 , b ) (np. w trakcie eksperymentu bierno – czynnego) uzyskuje się bazę informacji w postaci macierzy informacji: wartości parametrów diagnostycznych – stany maszyny – czas eksploatacji [3,11,26,21,40,55,65]. W chwili utraty przez maszynę stanu zdatności S ⁰ prawdopodobnie będzie możliwość stwierdzenia, na podstawie zebranych danych jak i oględzin maszyny, jaka mogła być przyczyna oraz warunki powstania stanu niezdatności maszyny (rys.1.6).

Rys. 1.6. Schemat genezowania na podstawie rejestrowanych wartości parametrów diagnostycznych

Przedstawione powyżej metody genezowania stanu maszyn, ich synergia oraz

doświadczenie użytkownika maszyny powinny pozwolić na opracowanie odpowiednich

procedur, których realizacja powinna umożliwić genezowanie stanu maszyny (rys. 1.7).

Rys. 1.7. Schemat określenia informacji o przyczynie uszkodzenia maszyny

Reasumując przedstawione powyżej problemy występujące w procesie genezowania stanu technicznego maszyny można stwierdzić, że w celu ich rozwiązania należy dokonać:

1. Analizy będącej, przedmiotem genezowania, maszyny, tzn. procesu pogarszania się jej stanu technicznego, określenie tendencji i dynamiki zmian wartości jej parametrów stanu, wybór stanów w których mogła znajdować się maszyna, dekompozycja maszyny na układy i zespoły, kryteria wyboru stanów i prawdopodobieństwo ich występowania oraz wybór „najlepszych” parametrów diagnostycznych opisujących zmianę stanu maszyny.

2. Wyboru „najlepszej” metody wyznaczania genezy stanu poprzez:

a) wyznaczenie wartości genezowanej parametru diagnostycznego, b) określenie wartości błędu genezy,

c) określenie relacji pomiędzy zmianami wartości genezowanej parametru diagnostycznego z błędem genezy i wartością graniczną parametru diagnostycznego;

3. Wykorzystanie genezy stanu technicznego do analizy przyczyny zaistnienia stanu Przedstawione powyżej pojęcia „najlepsze” wymaga podjęcia problematyki optymalizacji optymalizacji procesu genezowania stanu maszyn, która powinna wówczas polegać na wyborze „najlepszych” rozwiązań według odpowiednich kryteriów, dla każdego etapów procesu genezowania stanu. W związku z powyższym możliwe jest rozpatrzenie tak sformułowanych zadań optymalizacyjnych według jednego wybranego kryterium lub wielu kryteriów [1,46,51,59,68].

W optymalizacji jednokryterialnej informacja potrzebna do wyznaczenia rozwiązania powinna być zebrana przed rozpoczęciem obliczeń, natomiast proces decyzyjny ma często naturę iteracyjną i wieloetapową, podczas którego prowadzone są badania mające wpływ na rozwiązanie. Często w trakcie takich badań istnieje potrzeba dodania nowego kryterium.

Niekiedy nie można z dostateczną wiarygodnością uwzględnić wszystkich znaczących czynników, bądź optymalizacja prowadzi do naruszenia ograniczeń trudnych do sformalizowania bądź zamodelowania, stąd bardziej przydatny staje aparat formalny optymalizacji wielokryterialnej, który odzwierciedla skomplikowane problemy decyzyjne.

Optymalizacja wielokryterialna jest najbardziej rzeczywistą oraz najbardziej naturalną

koncepcją podejmowania decyzji, stąd wydaje się konieczne zastosowanie jej narzędzi także

w przypadku optymalizacji procesu genezowania, w której można wyróżnić [1,59]:

a) wyznaczenie zbioru rozwiązań dopuszczalnych X, którego elementami są etapy genezowania, co wymaga sformułowania schematu konstruowania genezy stanu;

b) określenie funkcji kryterialnej F, której elementy są egzemplifikacją wymagań jakościowych i strukturalnych wynikających z właściwości procesu eksploatacji maszyny (charakter zużycia zespołów, czynniki eksploatacyjne, czynniki konstrukcyjno-jakościowe, charakter wymuszeń zewnętrznych, postulaty wynikające ze sformułowanego celu genezowania);

c) rozwiązanie zadania optymalizacji wielokryterialnej i określeniu „najlepszego” zbioru parametrów diagnostycznych i „najlepszej” metody genezowania;

d) badanie jakości rozwiązania optymalnego poprzez określenie wrażliwości uzyskanych procedur na niektóre czynniki wynikające z własności procesu eksploatacji maszyny (które nie zostały uwzględnione jako elementy funkcji kryterialnej F);

e) walidacja metodyki wyznaczania optymalnej genezy stanu w aspekcie możliwości jej wykorzystania dla maszyn;

f) opracowanie koncepcji wykorzystania optymalnej genezy stanu w eksploatacji maszyn.

W celu rozwiązania powyższych problemów, na podstawie przeprowadzonej analizy [1,59,69] , uważa się, że najbardziej odpowiednią metodą optymalizacji wielokryterialnej do budowy optymalnej procedury genezowania jest metoda optymalizacji w sensie Pareto.

W metodzie tej element x ^o X nazywa się rozwiązaniem optymalnym w sensie Pareto wtedy i tylko wtedy, gdy w X nie istnieje taki element x ^* , że F n (x ^* ) > F (x ^o ) dla każdego nN oraz istnieje k  N, że:

F l (x ^* ) > F k (x ^o ) (1.5) Praktyczne zastosowanie rozwiązania optymalnego x ^o determinują postulaty:

a) rozwiązanie x ^o powinno być jedyne;

b) rozwiązanie x ^o powinno być rozwiązaniem niezdominowanym, o ile zbiór rozwiązań niezdominowanych nie jest pusty (postulat ten spełniają tzw. rozwiązania kompromisowe).

Realizowane jest to poprzez zawężenie zbioru elementów optymalnych w sensie Pareto w dwóch aspektach :

1. Wyboru punktu idealnego a ^*  R ^N , który będzie uważany za najbardziej pożądany wynik, definiowany w przypadku zadania optymalizacji ( X, F,  ) jako:

a ^* _n = sup F _n (x); n  N, x  X (1.6) 2. Wyboru postaci normy R ^a* (a) wektora (a ^* - a) określającego odległość punktu a  A od punktu idealnego a ^* , np. pod postacią znormalizowanego kryterium F() o znormalizowanych kryteriach składowych:

F ^* _n (x) = (F _n (x))(a ^* - a _n ^min ), n  N (1.7) przy czym wartość względnych odchyłek poszczególnych kryteriów powinna być znormalizowana w przedziale (0,1):

0 < (a ^* n - F n (x))(a ^* - a n min ) < 1; x  X, n  N (1.8) lub pod postacią normy R () z parametrem p  1, przy czym gdy:

p = 1 otrzymuje się sumę ważoną kryteriów cząstkowych,

p = 2 otrzymuje się normę euklidesową.

Uzyskany wynik a ^o  A jest najbliższy wynikowi a ^* w sensie „odległości geometrycznej” (np. punkt styczności okręgu o możliwie największym promieniu i środku w a ^* ze zbiorem A).

Przedstawiony algorytm optymalizacji procesu genezowania stanu maszyny zawiera poszczególne etapy, będące odpowiednio elementami formułowania i rozwiązania zadania optymalizacyjnego, przy czym zgodnie z przedstawionymi powyżej ustaleniami należy rozwiązać:

a) zadanie optymalizacyjne zbioru parametrów diagnostycznych maszyny;

b) zadanie optymalizacyjne wyboru metod genezowania wartości parametrów diagnostycznych

c) zadanie optymalizacyjne szacowania przyczyny uszkodzenia maszyny.

Reasumując rozpatrzone w tym rozdziale zagadnienia dotyczące problematyki ewolucji stanu maszyn oraz genezowania stanu można stwierdzić, że:

1. W celu poprawnego funkcjonowania nowoczesnych systemów obsługiwania maszyn (wykorzystujących informację o stanie maszyny w czasie przeszłym) istnieje potrzeba opracowania metodyki, która w przypadku niepełnej lub niepewnej historii wartości parametrów diagnostycznych maszyny umożliwi szacowanie stanu maszyny w czasie przeszłym eksploatacji (genezowanie stanu maszyny).

2. W chwili obecnej nie ma użytkowych metod genezowania stanu maszyn, które można wykorzystać w praktyce (szczególnie w aspekcie opisu przebiegu i przyczyny zaistniałego stanu niezdatności maszyny), stąd rozpatrzono możliwość wykorzystania genezowania sytuacyjnego, genezowania eksperckiego i genezowania symptomowego.

3. Za najbardziej przydatną metodę przyjęto genezowanie symptomowe, wykorzystujące rejestrowane w trakcie eksploatacji maszyny zmienne wartości parametrów diagnostycznych, uzupełnioną o synergiczne uzupełnienie metodami jakościowymi oraz doświadczeniem użytkownika maszyny. Powinno pozwolić to na opracowanie odpowiednich procedur, których realizacja powinna umożliwić genezowanie stanu maszyny (rys. 1.7).

4. W celu optymalizacji procesu genezowania stanu proponuje się wykorzystać narzędzia optymalizacji wielokryterialnej w zakresie:

a) wyznaczenia optymalnego zbioru parametrów diagnostycznych;

b) optymalnej metody genezowania stanu maszyny do wyznaczenia wartości genezowanej parametru diagnostycznego;

c) szacowania stanu maszyny w przeszłości.

W związku z powyższym stwierdza się, że istnieje potrzeba oraz istnieje możliwość opracowania procedur genezowania stanu maszyny. Wynika to z przeprowadzonej analizy ewolucji stanu maszyn oraz wyróżnienia metod jakościowych oraz metody genezowania symptomowego jako najbardziej odpowiedniej do szacowania stanu maszyny w przeszłości.

Ponadto możliwość wykorzystania narzędzi optymalizacji wielokryterialnej w obszarze

wyznaczenia optymalnego zbioru parametrów diagnostycznych i w obszarze wyznaczenia

optymalnej metody genezowania wartości parametru diagnostycznego w przeszłości powinna

umożliwić opracowanie procedur genezowania stanu maszyny, możliwych do wykorzystania,

w wspomaganym komputerowo systemie diagnostycznym maszyn.